移動IPv6:移動信息社會的基石

2019-11-03 09:07:40

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供稿：網(wǎng)友

闞志剛趙凱

　　移動ipv6與移動IPv4相比優(yōu)勢明顯，主要是其設(shè)計吸收了移動IPv4的發(fā)展經(jīng)驗，并且抓住了設(shè)計新版本IP協(xié)議（IPv6）的大好時機，結(jié)合了IPv6的很多新特性。人們相信，未來移動網(wǎng)絡(luò)應(yīng)首選移動IPv6協(xié)議。

　　現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議是IPv4，它原本不提供任何移動性支持。針對這一情況，IETF于1996年制定了支持移動互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的協(xié)議，稱為移動IP，其協(xié)議有兩種版本：基于IPv4的移動IPv4和基于IPv6的移動IPv6。

　　IPv6的出現(xiàn)是移動計算的一個重要里程碑。IPv6的主要特性對于未來的移動無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展至關(guān)重要，這些特性包括：足夠多的IP地址，要求安全數(shù)據(jù)包頭的實現(xiàn)，目的選項提高了路由效率，地址自動配置，避免入口過濾，錯誤恢復(fù)沒有軟狀態(tài)“瓶頸”。

移動IPv6基本協(xié)議

　　移動IP的主要目標(biāo)是:不管是連接在本地鏈路還是移動到外地網(wǎng)絡(luò)，使移動節(jié)點總是通過本地地址尋址。移動IP在網(wǎng)絡(luò)層加入了新的特性，在改變網(wǎng)絡(luò)連接點時，運行在節(jié)點上的應(yīng)用程序不需修改或配置仍然可用。這些特性使得移動節(jié)點總是通過本地地址通信。

　　這種機制對于IP層以上的協(xié)議層是完全透明的，如TCP、UDP及所有的應(yīng)用程序。DNS中移動節(jié)點的條目是關(guān)于本地地址的，因此當(dāng)移動節(jié)點改變網(wǎng)絡(luò)接入點時，DNS不需要改變。事實上，移動IPv6影響了數(shù)據(jù)包的路由，但是卻又獨立于路由協(xié)議（如RIP、OSPF等）本身。

　　移動IPv6操作包括本地代理注冊、三角路由、路由優(yōu)化、綁定管理、移動檢測和本地代理發(fā)現(xiàn)。

　　移動IPv6的工作機制如圖1所示。圖中有3條鏈路和3個系統(tǒng)。鏈路A上有一個路由器提供本地代理服務(wù)，這個鏈路是移動節(jié)點的本地鏈路。移動節(jié)點從鏈路A移動到鏈路B。鏈路C上有一個通信節(jié)點，可以是移動的或者靜止的。

　　當(dāng)移動節(jié)點連接到外地鏈路時，除了本地地址外，它還可以通過一個或多個轉(zhuǎn)交地址進行通信。轉(zhuǎn)交地址是移動節(jié)點在外地鏈路時的IP地址。移動節(jié)點本地地址和轉(zhuǎn)交地址之間的關(guān)聯(lián)稱為“綁定”。移動節(jié)點的轉(zhuǎn)交地址可以通過無狀態(tài)或者有狀態(tài)地址自動配置（如DHCPv6）。

　　移動IPv6的實現(xiàn)離不開本地鏈路上的本地代理。當(dāng)移動節(jié)點離開本地時，要向本地鏈路上的一個路由器注冊自己的一個轉(zhuǎn)交地址，要求這個路由器作為自己的本地代理。本地代理需要用代理鄰居發(fā)現(xiàn)來截獲本地鏈路上發(fā)往移動節(jié)點本地地址的數(shù)據(jù)包，然后通過隧道將截獲的數(shù)據(jù)包發(fā)往移動節(jié)點的主轉(zhuǎn)交地址。為了通過隧道發(fā)送截獲的數(shù)據(jù)包，本地代理要把數(shù)據(jù)包進行IPv6封裝，外部的IPv6報頭地址置為移動節(jié)點的主轉(zhuǎn)交地址。

　　當(dāng)移動節(jié)點離開本地時，本地鏈路的一些節(jié)點可能重新配置，以至于執(zhí)行本地代理功能的路由器被其他路由器所代替。在這種情況下，移動節(jié)點可能不知道自己本地代理的IP地址。移動IPv6提供了一種動態(tài)本地代理地址發(fā)現(xiàn)機制，移動節(jié)點可以動態(tài)發(fā)現(xiàn)本地鏈路上本地代理的IP地址，離開本地時，它在這個本地代理上注冊轉(zhuǎn)交地址。

　　移動IPv6還定義了一個附加的IPv6目的選項。由于每個數(shù)據(jù)包都包含本地地址選項，發(fā)送方的移動節(jié)點可以把本地地址告訴接收方的通信節(jié)點，而轉(zhuǎn)交地址對于移動IPv6以上層（如傳輸層）是透明的。

　　在IPv6中，移動節(jié)點能把自己的轉(zhuǎn)交地址告訴每個通信節(jié)點，使通信節(jié)點和移動節(jié)點之間進行直接路由，避免了三角路由問題。由于未來互聯(lián)網(wǎng)上會有大量的無線移動節(jié)點，因此，在路由效率上的大規(guī)模改善可能對互聯(lián)網(wǎng)的擴展性產(chǎn)生本質(zhì)的影響。

移動IPv6中的切換

　　快速切換減小或者消除了移動節(jié)點建立新的通信路徑的延遲；平滑切換則減少了數(shù)據(jù)包的丟失率；而無“縫”切換是兩者的結(jié)合，即低延遲和低丟失率。

　　移動IPv6已經(jīng)提供了切換過程，但是在某些情況下不適合支持實時應(yīng)用程序。研究切換的目的是要減少切換的延遲和丟包率，移動IPv6能很好地處理運行實時應(yīng)用的移動節(jié)點的移動問題。除了移動IPv6給出的基本切換過程外，也可以采用其他信令過程和優(yōu)化方法。

　　完美的切換是無“縫”切換，包括快速切換和平滑切換。

1．快速切換

　　通常根據(jù)控制分類，切換可以分為兩種：網(wǎng)絡(luò)控制和移動節(jié)點控制。在網(wǎng)絡(luò)控制的切換中，服務(wù)域中的網(wǎng)絡(luò)元素決定移動節(jié)點的連接點，某個實體指導(dǎo)建立與移動節(jié)點的連接。在移動節(jié)點控制的切換中，移動節(jié)點決定新的連接點，并且在新連接點建立連接。

　　現(xiàn)在，一些互聯(lián)網(wǎng)草案文件介紹了不同的切換方法。有的方法是關(guān)于快速切換的，包括預(yù)測移動節(jié)點的移動，并且發(fā)送數(shù)據(jù)包的多個副本到移動節(jié)點可能移動的地方。這個草案中對普通和分層的移動IPv6模式都考慮到了；有的方法中分層移動IPv6的移動性管理模型已經(jīng)對移動IP的切換進行了改善，其中提供了移動錨點（MAP）的功能。為了得到快速切換，對現(xiàn)有分層模型操作還有其他的補充。

　　當(dāng)移動節(jié)點從一條鏈路切換到另一條鏈路時，需要盡快得到新的轉(zhuǎn)交地址，這樣才能發(fā)送和接收數(shù)據(jù)包。這種方法可以減少獲得新轉(zhuǎn)交地址的延遲，這樣移動節(jié)點能很快重新傳輸數(shù)據(jù)包，并且還減小了發(fā)送數(shù)據(jù)包到移動節(jié)點的延遲，如果切換是網(wǎng)絡(luò)控制的，這中間要通知移動代理和通信節(jié)點。這個草案要求有一個網(wǎng)絡(luò)實體指導(dǎo)移動節(jié)點從一個訪問路由器切換到另一個，并且假設(shè)這個實體知道這些路由器的IP地址和網(wǎng)絡(luò)前綴。

　　其他的草案也提出了新的切換方法，采用小組組播（SGM）的明確組播（Xcast）技術(shù)。在有線段，控制/用戶數(shù)據(jù)包由Xcast向基站組播，基站能訪問移動節(jié)點，然后數(shù)據(jù)包發(fā)送到基站和移動節(jié)點之間的無線鏈路上。

2．平滑切換

　　對于平滑切換，通過對移動IPv6的擴展，在切換時附加控制結(jié)構(gòu)傳輸必要的狀態(tài)信息，這樣在切換時，運行在移動節(jié)點上的應(yīng)用程序能保持較低的延遲、最小的中斷和減少數(shù)據(jù)包丟失率。

　　當(dāng)移動節(jié)點在同一個訪問域內(nèi)移動時，移動IPv6區(qū)域注冊減小了綁定更新信令延遲和信令負(fù)載。區(qū)域注冊可以采用區(qū)域感知路由器的聯(lián)播地址，在相關(guān)路由器上為移動節(jié)點生成宿主路由器，支持任意的層次拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，不需要知道從其他域移動過來的移動節(jié)點的其他信息，并且指定了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的最佳方法，與平滑/快速切換相兼容。

　　要在移動網(wǎng)絡(luò)中支持實時應(yīng)用程序如VoIP，需要考慮的一個重要問題就是平滑切換的能力。當(dāng)移動節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)鏈路中移動時，平滑切換能最小化數(shù)據(jù)包丟失率。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)帶寬有限時，如無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)，可以壓縮IP報頭和傳輸報頭，以更好地利用可用的帶寬。當(dāng)在切換時采用報頭壓縮時，報頭壓縮上下文需要從一個IP訪問點（如路由器）重新定位到另一個IP訪問點，這樣才能完成平滑操作。有的采用IPv6和移動IPv6來獲得這種壓縮上下文的重新定位。

移動IPv6的AAA

　　移動IP工作組最近已經(jīng)改變了工作重點，著重研究管理域間的移動性，解決應(yīng)用移動性協(xié)議的蜂窩發(fā)送者的需求。

　　IETF的AAA工作組致力于網(wǎng)絡(luò)訪問中鑒定、認(rèn)證和計費的需求開發(fā)，需求來自NASREQ、移動IP、ROAMOPS工作組和TIA45.6。這個AAA工作組主要是在Diameter提議的基礎(chǔ)上開發(fā)IETF的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

　　Diameter協(xié)議是在RADIUS（RFC2138）協(xié)議之后發(fā)展起來的，主要彌補RADIUS的不足，并且可以與NASREQ、ROAMOPS和移動IP一起應(yīng)用。

　　Diameter框架結(jié)構(gòu)包括一個基本協(xié)議和一些擴展協(xié)議（如安全性、NASREQ、移動IP和計費）。服務(wù)的通用功能在基本協(xié)議中實現(xiàn)，而與應(yīng)用有關(guān)的功能在擴展機制中實現(xiàn)。

　　移動IP工作組最近已經(jīng)改變了工作重點，重點研究管理域間的移動性，解決應(yīng)用移動性協(xié)議的蜂窩發(fā)送者的需求。它擴展了Diameter基本協(xié)議，Diameter服務(wù)器可以對移動節(jié)點上的移動IPv4服務(wù)進行鑒定、認(rèn)證和收集計費信息。結(jié)合基本協(xié)議的域間功能，這個擴展允許移動節(jié)點從其他服務(wù)提供者獲得服務(wù)。Diameter計費擴展用在外地代理和本地代理上，向Diameter服務(wù)器傳輸有用信息。

　　在這種方法中，IPv6節(jié)點（客戶端）向本地AAA提交認(rèn)證材料，以便對本地網(wǎng)絡(luò)進行訪問。然而在IPv4中，路由器和DHCP不一定能處理這種功能，筆者相信，如果由IPv6路由器進行這些訪問控制，效率將會更加合理，也可能作為執(zhí)行DHCPv6延遲功能的一部分。DHCPv6服務(wù)器和路由器可以與AAA服務(wù)器聯(lián)合使用，決定客戶端的認(rèn)證材料是否有效。

　　通過鄰居緩存中的控制條目的設(shè)備，路由器能執(zhí)行這樣的網(wǎng)絡(luò)訪問控制。如果沒有有效的認(rèn)證材料，路由器就不會把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到這個設(shè)備上；而且這樣的設(shè)備也不能訪問（或者只是有限訪問）路由器相鄰的其他網(wǎng)絡(luò)鏈路。只有通過這種方法，新設(shè)備在認(rèn)證完成之前，才不會濫用網(wǎng)絡(luò)連接。

其他IP移動性解決方案

　　面對各種不同的解決方案，最好的思路是整合優(yōu)勢、兼收并蓄。

　　除了移動IPv6以外，還有其他幾種IP移動性解決方案：IETF的移動IPv4、IETF移動IP的擴展（分層外地代理、路由優(yōu)化、動態(tài)移動支持、反向地址翻譯、基于組播的切換、HAWAII、蜂窩IP、移動人結(jié)構(gòu)、ICEBERG、擴展SIP移動性等)。

　　如何解決通常的移動性問題，重點是上述這些方法如何滿足新用戶、網(wǎng)絡(luò)需求和新技術(shù)三方面的要求。筆者認(rèn)為，在未來的基于IP的無線網(wǎng)絡(luò)中，需要設(shè)計切換方案，并對這些方案進行比較。

　　未來的無線網(wǎng)絡(luò)將是純IP網(wǎng)絡(luò)，訪問網(wǎng)絡(luò)中的基站和路由器是可以通過IP地址識別的。移動性問題應(yīng)該在網(wǎng)絡(luò)層解決，其中涉及到與鏈路層和應(yīng)用層的協(xié)作。IETF的移動IP框架是未來純IP無線網(wǎng)絡(luò)的主要候選方案。我們認(rèn)為，移動IP會解決通用移動性支持問題，但如果認(rèn)為它是一個適用于所有移動情況的統(tǒng)一機制，則是一種誤解。在主機位置不暴露的前提下，我們?nèi)匀幌Ｍ谥鳈C間直接通信。

　　未來一些應(yīng)用(音頻和視頻)將需要切換支持，這樣，在分層無線技術(shù)的域內(nèi)可以采用移動性方案來支持本地移動，但需要解決一些關(guān)于垂直切換中切換策略的問題。

　　另外，基于組播的切換具有切換支持的一些優(yōu)點：不需要切換指定的信令，重新路由的節(jié)點離基站很近，并且優(yōu)化切換易于實現(xiàn)。同時現(xiàn)在的組播也有一些缺點，如不通用等。未來網(wǎng)絡(luò)中要集成優(yōu)化的組播，如小組內(nèi)廣播，不過仍然需要對基本組播進行擴展。

　　目前，移動IPv6的安全問題還沒有得到完全解決，IETF專家們正在努力工作，估計在不久的將來移動IPv6將逐步走向成熟。

　　IPv6優(yōu)勢之三支持移動性

　　基于移動IPv6協(xié)議的IP層移動功能具有重要優(yōu)點，尤其在移動終端數(shù)量持續(xù)上漲的今天，這些優(yōu)點更加突出。盡管IPv4中也存在移動協(xié)議，但二者之間存在著本質(zhì)的區(qū)別：移動IPv4協(xié)議不適用于數(shù)量龐大的移動終端。移動IP需要為每個設(shè)備提供一個全球惟一的IP地址，IPv4沒有足夠的地址空間可以為在公共互聯(lián)網(wǎng)上運行的每個移動終端分配一個這樣的地址。從另一個角度講，移動IPv6能夠通過簡單的擴展，滿足大規(guī)模移動用戶的需求。這樣，它就能在全球范圍內(nèi)解決有關(guān)網(wǎng)絡(luò)和訪問技術(shù)之間的移動性問題。另外，IPv4協(xié)議中對移動性的支持不是強制的，而移動IPv6是IPv6協(xié)議中不可或缺的部分，所有IPv6的實現(xiàn)都必須支持移動性。

摘自　計算機世界網(wǎng)

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